孫 銳，趙倩玉，袁曉銘

（中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080）

1 引 言

地震下場地的地面運動（地震動）決定著地基和工程結構地震響應的輸入，是巖土動力學的重要研究內容，已有很多研究工作開展[1-3]，但以往的認識主要針對的是常規(guī)場地[4-6]，不包含液化土這種特殊場地。現(xiàn)有抗震設計規(guī)范[7]中，不論場地是否液化，對任何類型工程結構地震動均按土層為非液化進行計算，即地表上的設計反應譜不考慮液化層的存在，輸入的反應譜不會因土層液化而改變。

一般認為，從振動角度，液化土層對地震動主要具有減震效應[8-9]，也有計算分析結果表明，液化土層不僅對地震動高頻部分減震，而且對低頻分量有顯著放大作用[10-11]。如果液化土層對地震動主要是減震作用，那么從振動角度進行抗震設計時，液化將導致偏于安全的結果。如果液化土層對地震動長周期部分有加震作用，那么長周期建筑物在地震液化時除了受到原有的液化災害威脅，如地基失效，還有地震動加強的危險，按現(xiàn)有規(guī)范設計將得到偏于危險的結果。液化場地地震動與常規(guī)場地地震動實際關系如何是工程抗震設計上需要解決的課題，對這一問題最有力的回答來自于實際觀測資料，但這需要一次地震下能夠得到不同類型場地的地震記錄，也同時能夠得到液化場地上的記錄，而這種機會以往沒有遇到。這樣，一方面以往的一些理論計算結果沒法得到檢驗，另一方面液化場地上的地震動與現(xiàn)有常規(guī)場地地震動區(qū)別的定量認識也無法得到。

2011年新西蘭發(fā)生的6.3 級地震中，在不同類型場地均得到了強震記錄，同時在一些液化場地上也得到了記錄，為了對比不同類型場地對地震動的影響創(chuàng)造了條件，本文分析了此次地震中得到的場地地震動資料，獲取包括液化土層這種特殊場地在內的幾種典型場地地震動的特征及其相互間關系的認識，可為特殊場地上工程結構抗震設計提供新的線索。

2 場地條件及近場強震記錄

2011年2 月22 日新西蘭克萊斯特徹奇市發(fā)生里氏6.3 級地震，震中距市區(qū)10 km，震源深度約5 km。此次地震最顯著的現(xiàn)象就是大規(guī)模的土層液化。

國外學者對此次地震中液化土層對地震動的影響已有一些初步認識，例如，市中心坎特伯雷電視大樓（CTV 大樓）是造成此次地震人員傷亡最嚴重的建筑物，其造成的死亡人數(shù)占此次地震總數(shù)的2/3，有115 人遇難，包括來自中國和日本的留學生。日本巖土工程專家根據(jù)考察結果指出，CTV 大樓破壞可能是受到了“地盤液化”的影響，即此次地震最初幾秒波形變化很規(guī)則，建筑物的內部出現(xiàn)一些破損，之后整個城市開始出現(xiàn)液化，晃動周期開始變長，建筑物的晃動周期開始變長，晃動程度開始變大，最終扭曲變形，導致坍塌，因于CTV 大樓附近沒有地震記錄，日本學者的這一觀點被認為僅是一種推測，缺乏實測資料支持，并未被認可和廣泛接受。

克萊斯特徹奇市及其郊區(qū)的大部分區(qū)域是由海灘、河口、瀉湖形成的沼澤地。近地表地層具有層狀特點，系松散的全新世粉土、砂土、礫等，地質構造較為復雜。地下水位從東部深1～2 m 到西部深5 m，地下水位深度逐漸增大[13]。

本文收集了此次地震震中距小于50 km 且峰值大于0.05g 的23個強震臺站的加速度記錄[14]，臺站及地表加速度峰值（PGV），地面速度峰值（PGA），見表1，臺站分布見圖1。由于缺少臺站的剖面資料，因而無法按我國規(guī)范對場地類別進行劃分。表1 中，各臺站的場地類別劃分標準為新西蘭NZS1170.5(2004)規(guī)范[15]，23個臺站中包括1個A 類場地、1個B 類場地、1個C 類場地、17個D 類場地和2個E 類場地，另一個場地類別不清，有9個場地為液化場地，其余為非液化場地，幾個類別場地的性質見表1 說明。水平向加速度峰值最大為HVSC 臺站記錄到的14.27 m/s2，最小為DSLC 臺站記錄到的0.444 m/s2。本文將利用這些記錄，討論不同類型場地上地震加速度的放大系數(shù)譜和傅氏譜的特征及其相互關系，獲取一般性的規(guī)律。

圖1 強震臺站分布Fig.1 Google map of the selected seismic stations

3 不同場地加速度反應譜的對比

為研究不同場地上地震動的特征，本文采用特征周期、平均譜周期及低頻譜烈度等參數(shù)進行比較。

采用下面公式計算加速度反應譜的特征周期gT[16]：

式中：Vmax為地表峰值速度；Amax為地表峰值加速度。同時，采用Rathje 等[17]提出的方法計算加速度放大系數(shù)譜的平均周期：

式中：β(T)為加速度放大系數(shù)譜；Ti為譜周期。

為研究不同場地對加速度低頻分量的影響，本文定義低頻譜烈度為

式中：Sa(T)為加速度反應譜；S ILF為周期大于0.8 s的譜烈度，代表反應譜中低頻部分的能量。

特征周期、平均周期和低頻譜烈度均取兩水平向的均值。23個不同類型場地強震記錄特征量的計算結果見表1。

表1 2011年新西蘭地震中不同類型場地強震記錄及其特征量Table 1 The seismic records and their characteristics for different sites in the 2011 New Zealand earthquake

3.1 硬場地

本文將不同類型的場地歸結為3 類：硬場地（非液化的A、B 和C 類場地）、軟場地（非液化的D 和E 類場地）以及液化場地。為方便對比，將各臺站的加速度反應譜以無量綱的放大系數(shù)譜β(T)形式表達。

圖2為MQZ 和LPCC 兩個臺站場地加速度放大系數(shù)譜，其中MQZ 臺站為A 類場地，即堅硬巖石，LPCC為B 類場地，即巖石場地。從圖中可以看出，其卓越周期在0.07～0.20 s之間。圖3為HVSC臺站場地加速度放大系數(shù)譜，該臺站場地為C 類場地，覆蓋層較淺，代表中硬場地，其放大系數(shù)的卓越周期范圍為0.1～0.4 s。

圖2 巖石場地加速度放大系數(shù)譜Fig.2 Amplification coefficient spectra for the rock sites

圖3 中硬場地加速度放大系數(shù)譜Fig.3 Amplification coefficient spectra for the medium stiff sites

由圖2、3 及表1 可見，此次地震中3個硬場地的卓越周期范為0.4 s 以內，特征周期均小于0.3 s，平均周期為也都小于0.3 s，低頻譜烈度在0.8 s 以內。

3.2 軟土場地

23個強震記錄中，有10個為非液化的軟土場地（D 類），其加速度放大系數(shù)譜如圖4 所示。由圖可以看出，除PPHS 場地外，D 類場地的放大系數(shù)的卓越周期在0.1～0.6 s 范圍內。由表1 可以看出，ROLC 場地的特征周期為0.18 s，其余9個非液化D類場地的特征周期均在0.30～0.45 s 范圍內；10個場地的低頻譜烈度基本在0.8～2.1 s 之間，平均周期也基本在0.24～0.40 s 之間。

3.3 液化場地

9個液化場地的反應譜放大系數(shù)如圖5 所示。9個場地放大系數(shù)的卓越周期在0.3～2.0 s 范圍內，特征周期基本為0.5～1.0 s，低頻譜烈度為2.5～4.5 s 之間，平均周期為0.39～0.60 s。

4 加速度反應譜特征量的對比

硬場地、軟場地以及液化場地這3 類場地的加速度反應譜特征量對比見表2。由表可見，硬場地的反應譜卓越周期在0.4 s 以內，特征周期和平均周期都小于0.3 s，低頻譜烈度小于0.8 s；軟場地卓越周期、特征周期和平均周期分別在0.1～0.6 s、0.3～0.4 s 和0.2～0.4 s 間，低頻譜烈度范圍為0.8～2.1 s；液化場地的這幾個參數(shù)則分別為0.3～2.0 s、0.5～1.0 s 和0.39～0.60 s 范圍內，低頻譜烈度為2.5～4.5 s 之間。由此可以看出，對于幾個特征量，3 類場地均有很大不同，從小到大的次序依次為硬場地、軟場地和液化場地，并且液化場地較軟場地的幾個特征量的差異性比軟場地較硬場地的更大一些。

圖4 未液化軟土場地加速度放大系數(shù)譜Fig.4 Amplification coefficient spectra for the non-liquefied soft sites

圖5 液化場地加速度放大系數(shù)譜Fig.5 Amplification coefficient spectra for the liquefied sites

表2 不同場地加速度反應譜特征量對比Table 2 Comparison of amplification coefficient spectra characteristics on the different types of sites

3 種類型場地的加速度放大系數(shù)譜的均值如圖6 所示。從圖中可以看出，3 類場地放大系數(shù)譜有明顯區(qū)別，硬場地、軟場地和液化場地的卓越周期分別為0.07～0.15 s、0.2～0.3 s 和0.5～1.0 s。與以往的認識一樣，軟場地較硬場地高頻成分減少，低頻成分明顯增多，但需注意的是，液化場地較軟場地高頻成分也減少，低頻成分也明顯增多，且與軟場地較硬場地增加量相比，液化場地對軟場地低頻分量增大程度明顯大。圖7為軟場地較硬場地放大系數(shù)譜增量與液化場地較軟場地放大系數(shù)譜增量的對比。體現(xiàn)了3 種類型場地頻率成分的差異，更充分地說明了液化土層對地震動周期有顯著延長的作用。

進一步結合圖6，可以得到如圖8 所示的液化場地加速度放大系數(shù)譜與其他兩類場地放大系數(shù)譜的比值。從圖中可以看出，與非液化的硬土場地相比，液化使高頻結構（自振周期0.2 s）的反應減小了1/2，使長同期結構（自振周期1.0 s）的反應放大了5.0 倍；與非液化的軟土場地相比，液化使高頻結構的反應減小了一半，使長同期結構的反應放大了2.5 倍。

新西蘭克萊斯特徹奇市中心的CTV 大樓在2011年地震中受到嚴重破壞。根據(jù)現(xiàn)場調查，可排除由于液化導致地基失效的可能，引起大樓的破壞應為地震下的振動效應所致。CTV 大樓的自振周期大約是0.7 s，而本文分析表明，此次地震中土層的液化使場地加速度反應譜的卓越周期明顯加長，由開始的0.1～0.3 s 增大到0.5～1.0 s 左右，與大樓的自振周期吻合，這一結果支持了CTV 大樓地震下的振動破壞是受到液化影響的推測。

圖6 3 種類型場地加速度放大系數(shù)譜平均值的對比Fig.6 Averages of amplification coefficient spectra for 3 types of sites

圖7 3 種類型場地加速度放大系數(shù)增量譜對比Fig.7 Increments of amplification coefficient spectra for 3 site class

圖8 加速度放大系數(shù)譜比Fig.8 Ratio of amplification coefficient spectra for 3 types of sites

5 結 論

（1）液化場地上的地震動特征與常規(guī)場地有明顯區(qū)別，液化場地已經(jīng)構成一個與硬土和軟土場地并列的獨立單元。

（2）硬場地上反應譜的卓越周期在0.4 s 內，特征周期、平均周期和低頻譜烈度的平均值分別為0.23、0.21、0.68 s。軟場地上反應譜卓越周期在0.6 s 內，特征周期、平均周期和低頻譜烈度的平均值分別為0.35、0.33、1.80 s。液化場地上反應譜的特征周期、平均周期和低頻譜烈度的平均值則分別為1.40、0.64、0.49、3.33 s。硬場地、軟場地和液化場地上三者反應譜的特征層次分明，差別顯著。

（3）此次地震中液化場地地震動最重要的特征是對低頻顯著的放大作用，與非液化場地相比，液化可使短周期結構反應減小一半，而使長周期結構的反應放大2.5～5.0 倍。

（4）土層的液化對2011年新西蘭克萊斯特徹奇地震中市中心CTV 大樓的破壞應有很大影響，大樓的自振周期約為0.7 s，此次地震中土層的液化使場地加速度反應譜的卓越周期由開始的0.1～0.3 s增大到0.5～1.0 s 左右，與大樓的自振周期吻合，應是加重大樓震害的重要原因。

以此次地震為鑒，按現(xiàn)有規(guī)范地震動設計方法，就液化場地而言對長周期結構將導致很危險的結果，今后進行抗震設計時，從振動角度考慮可液化場地地震動應進行單獨分析。

[1]胡聿賢.地震工程學[M].北京:地震出版社,2006.

[2]韓建平,周偉.汶川地震豎向地震動特征初步分析[J].工程力學,2012,29(12):211-219.HAN Jian-ping,ZHOU Wei.Preliminary investigation on characteristics of vertical ground motion during Wenchuan earthquake[J].Engineering Mechanics,2012,29(12):211-219.

[3]李海波,朱蒞,呂濤,等.考慮地震動空間非一致性的巖體地下洞室群地震反應分析[J].巖石力學與工程學報,2008,27(9):1757-1766.LI Hai-bo,ZHU Li,Lü Tao,et al.Seismic response analysis of an underground cavern groups in rock subjected to spatially non-uniform seismic ground motion[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(9):1757-1766.

[4]劉啟方.基于運動學和動力學震源模型的近斷層地震動研究[博士學位論文D].哈爾濱:中國地震局工程力學研究所,2005.

[5]李小軍,彭青.不同類別場地地震動參數(shù)的計算分析[J].地震工程與工程振動,2001,21(1):29-36.LI Xiao-jun,PENG Qing.Calculation and analysis of earthquake ground motion parameters for different sites categories[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2001,21(1):29-36.

[6]沈建文,劉崢,石樹中.用震級和距離參數(shù)修正土層反應的等效線性化方法[J].地震學報,2010,32(4):466-475.SHEN Jian-wen,LIU Zheng,SHI Shu-zhong.Modify equivalent linear method of finding soil seismic response with magnitude and distance parameters[J].Acta Seismologica Sinica,2010,32(4):466-475.

[7]中國建筑科學研究院.GB 50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[8]蘇棟,李相菘.砂土自由場地震響應的離心機試驗研究[J].地震工程與工程振動,2006,26(2):166-170.SU Dong.LI Xiang-song.Centrifuge modeling of seismic response of free sand ground[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2006,26(2):166-170.

[9]王國新,徐令宇.自由場地液化振動臺實驗結果分析與數(shù)值模擬[J].防災減災工程學報,2010,30(增刊1):45-49.WANG Guo-xin,XU Ling-yu.Shaking table test of free ground liquefaction and numerical simulation[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2010,30(Supp.1):45-49.

[10]孫銳,袁曉銘.場地液化對反應譜影響評價[J].應用基礎與工程科學學報,2010,18(增刊):173-180.SUN Rui,YUAN Xiao-ming.Evaluation for effect of site liquefaction on response spectrum[J].Journal of Basic Science and Engineering,2010,18(Supp.):173-180.

[11]YOUD T L,CARTER B L.Influence of soil softening and liquefaction on spectral acceleration[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2005,131(7):811-825.

[12]程沖.日本專家解析新西蘭強震:“地盤液化”致電視大廈倒塌[OL].http://news.xilele.com/guoji/387419.htm,2012-02-26

[13]Tonkin and Taylor Ltd.Christchurch central city geological interpretative report(version 1.1)[R].New Zealand:Christchurch City Council,Christchurch,2012.

[14]GeoNet DELTA.Earthquake Commission and GNS Science[OL].fttp//ftp.geonet.org.nz/strong/processed/Proc.,2011-03-21.

[15]Technical Committee.NZS 1170.5:2004 Structural Design Actions,part 5.Earthquake Actions-New Zealand[S].Wellington:Standards New Zealand,Private Bag2439,6020,2004.

[16]廖振鵬,李大華.設計地震反應譜的雙參數(shù)標定模型[M].北京:地震出版社,1989:196-206.

[17]RATHJE E M,FARAJ F,RUSSELL S,et al.Empirical relationships for frequency content parameters of earthquake ground motions[J].Earthquake Spectra,2004,20(1):119-144.